3.2 Frumur taugakerfisins

3.2 Frumur taugakerfisins

Sálfræðingar sem leitast við að skilja mannshugann geta rannsakað taugakerfið. Þekking á því hvernig frumur og líffæri líkamans starfa getur hjálpað okkur að skilja líffræðilegan grunn sálfræði mannsins. Taugakerfið er gert úr tveimur grunngerðum frumna: taugatróðsfrumum, einnig nefndum taugatróð, og taugafrumum. Hefðbundið hefur verið litið svo á að taugatróðsfrumur styðji við taugafrumur, bæði líkamlega og efnaskiptalega. Taugatróðsfrumur mynda stoðgrind sem taugakerfið er byggt á, hjálpa taugafrumum að raðast þétt saman svo taugasamskipti geti átt sér stað, einangra taugafrumur, flytja næringarefni og úrgangsefni og miðla ónæmisviðbrögðum. Í mörg ár töldu rannsakendur að taugatróðsfrumur væru miklu fleiri en taugafrumur; nýlegri rannsóknir frá rannsóknarstofu Suzönnu Herculano-Houzel hafa þó dregið þessa langvarandi forsendu í efa og lagt fram mikilvæg gögn sem benda til þess að hlutfall taugatróðsfrumna og taugafrumna geti verið nálægt 1:1. Þetta er mikilvægt vegna þess að það bendir til að heili manna sé líkari heila annarra prímata en áður var talið (Azevedo o.fl., 2009; Herculano-Houzel, 2012; Herculano-Houzel, 2009). Taugafrumur starfa hins vegar sem samtengdar upplýsingavinnslueiningar sem eru nauðsynlegar fyrir öll verkefni taugakerfisins. Þessi hluti lýsir stuttlega uppbyggingu og starfsemi taugafrumna.

Uppbygging taugafrumu

Taugafrumur eru meginbyggingareiningar taugakerfisins og eru um 100 milljarðar við fæðingu. Eins og allar frumur eru taugafrumur úr nokkrum ólíkum hlutum sem hver gegnir sérhæfðu hlutverki (Mynd 3.8). Ytra yfirborð taugafrumu er hálfgegndræp himna. Himnan hleypir minni sameindum og sameindum án rafhleðslu í gegnum sig en stöðvar stærri eða mjög hlaðnar sameindir.

Kjarni taugafrumunnar er í frumubolnum. Út frá frumubolnum ganga greinóttar framlengingar sem kallast griplur. Taugafruman er lítil upplýsingavinnslueining og griplur eru inntaksstaðir þar sem boð berast frá öðrum taugafrumum. Þessi boð berast rafrænt yfir frumubolinn og niður eftir stórri framlengingu frá honum sem kallast sími og endar í mörgum símaendum. Símaendarnir innihalda taugaboðefnablöðrur sem geyma taugaboðefni, efnaboðbera taugakerfisins.

Símar geta verið frá innan við sentímetra upp í meira en metra að lengd. Á sumum símum mynda taugatróðsfrumur fitukennt efni sem kallast mýelínslíður. Það þekur símann og verkar sem einangrun sem eykur hraða boðsins. Mýelínslíðrið er ekki samfellt; eftir endilöngum símanum eru lítil bil. Þessi bil í mýelínslíðrinu kallast Ranvier-mót. Mýelínslíðrið er mikilvægt fyrir eðlilega starfsemi taugafrumna í taugakerfinu: tap á einangruninni sem það veitir getur skaðað eðlilega starfsemi. Til að skilja hvernig þetta gerist skulum við líta á dæmi. PKU (fenýlketónmiga), erfðasjúkdómur sem fjallað var um fyrr, veldur minnkuðu mýelíni og frávikum í hvítu efni í heilaberki og neðanbarkarbyggingum. Röskunin tengist ýmsum vandamálum, þar á meðal alvarlegri skerðingu á hugrænni starfsemi, ýktum viðbrögðum og flogum (Anderson & Leuzzi, 2010; Huttenlocher, 2000). Annar sjúkdómur, heila- og mænusigg (MS), er sjálfsofnæmissjúkdómur sem felur í sér víðtækt tap á mýelínslíðri á símum víðs vegar um taugakerfið. Truflunin á rafboðinu sem af þessu hlýst kemur í veg fyrir hraðan upplýsingaflutning taugafrumna og getur leitt til ýmissa einkenna, svo sem svima, þreytu, skertrar hreyfistjórnunar og kynlífsvanda. Sumar meðferðir geta hjálpað til við að breyta gangi sjúkdómsins og meðhöndla tiltekin einkenni, en engin þekkt lækning er nú til við heila- og mænusiggi.

Hjá heilbrigðum einstaklingum ferðast taugaboðið hratt niður símann til símaendanna, þar sem taugaboðefnablöðrur losa taugaboðefni út í taugamótabilið (Mynd 3.9). Taugamótabilið er mjög lítið bil milli tveggja taugafrumna og mikilvægur staður þar sem samskipti milli taugafrumna eiga sér stað. Þegar taugaboðefni hafa losnað út í taugamótabilið ferðast þau yfir það og bindast samsvarandi viðtökum á griplu aðliggjandi taugafrumu. Viðtakar eru prótein á yfirborði frumu þar sem taugaboðefni festast; lögun þeirra er mismunandi og mismunandi lögun „passar“ við mismunandi taugaboðefni.

Hvernig „veit“ taugaboðefni hvaða viðtaka það á að bindast? Taugaboðefnið og viðtakinn hafa það sem kallað er lás-og-lykill-samband: tiltekin taugaboðefni passa við tiltekna viðtaka, svipað og lykill passar í lás. Taugaboðefnið binst hverjum þeim viðtaka sem það passar við.

Samskipti taugafrumna

Nú þegar við höfum lært um grunnbyggingu taugafrumunnar og hlutverk þessara byggingarhluta í samskiptum taugafrumna skulum við skoða boðið sjálft nánar: hvernig það fer í gegnum taugafrumuna og stekkur síðan yfir í næstu taugafrumu, þar sem ferlið endurtekur sig.

Við byrjum við taugafrumuhimnuna. Taugafruman er í vökvaumhverfi: hún er umkringd utanfrumuvökva og inniheldur innanfrumuvökva, það er umfrymi. Taugafrumuhimnan heldur þessum tveimur vökvum aðskildum, sem er afar mikilvægt vegna þess að rafboðið sem fer í gegnum taugafrumuna er háð því að innan- og utanfrumuvökvinn séu raflega ólíkir. Þessi munur á hleðslu yfir himnuna kallast himnuspenna og veitir boðinu orku.

Rafhleðsla vökvanna stafar af hlöðnum sameindum, jónum, sem eru uppleystar í vökvanum. Hálfgegndræp taugafrumuhimnan takmarkar að nokkru leyti hreyfingu þessara hlöðnu sameinda og fyrir vikið safnast sumar hlöðnu agnirnar frekar annaðhvort innan eða utan frumunnar.

Milli boða er himnuspenna taugafrumunnar í viðbragðsstöðu sem kallast hvíldarspenna. Líkt og teygja sem er strekkt og bíður þess að skjótast af stað raðast jónir hvoru megin við frumuhimnuna, tilbúnar að þjóta yfir himnuna þegar taugafruman verður virk og himnan opnar hlið sín. Jónir á svæðum með háan styrk eru tilbúnar að færast á svæði með lágan styrk og jákvæðar jónir eru tilbúnar að færast á svæði með neikvæða hleðslu.

Í hvíldarstöðu er natríum (Na+) í meiri styrk utan frumunnar og hefur því tilhneigingu til að fara inn í frumuna. Kalíum (K+) er hins vegar í meiri styrk inni í frumunni og hefur tilhneigingu til að fara út úr henni (Mynd 3.10). Auk þess er innanverð fruman örlítið neikvætt hlaðin miðað við ytra borðið vegna virkni natríum-kalíumdælunnar. Þessi dæla flytur með virkum hætti þrjár natríumjónir út úr frumunni fyrir hverjar tvær kalíumjónir sem fara inn og skapar þannig nettó neikvæða hleðslu inni í frumunni. Þetta verkar sem aukakraftur á natríum og veldur því að það leitar inn í frumuna.

Úr hvíldarspennuástandinu fær taugafruman boð og ástand hennar breytist skyndilega (Mynd 3.11). Þegar taugafruma fær boð við griplurnar, vegna þess að taugaboðefni frá aðliggjandi taugafrumu bindast viðtökum hennar, opnast lítil op eða hlið á taugafrumuhimnunni. Þá geta Na+ jónir, knúnar áfram bæði af hleðslu- og styrkmun, farið inn í frumuna. Með þessu innflæði jákvæðra jóna verður innri hleðsla frumunnar jákvæðari. Ef hleðslan nær ákveðnu stigi, sem kallast örvunarþröskuldur, verður taugafruman virk og boðspenna hefst.

Mörg fleiri op opnast og valda gríðarlegu innflæði Na+ jóna og miklum jákvæðum toppi í himnuspennunni, það er hámarki boðspennunnar. Við toppinn lokast natríumhliðin og kalíumhliðin opnast. Þegar jákvætt hlaðnar kalíumjónir fara út úr frumunni byrjar hún fljótt að endurskautast. Fyrst ofskautast hún og verður örlítið neikvæðari en hvíldarspennan, en síðan jafnast hún út og snýr aftur í hvíldarspennu.

Þessi jákvæði toppur myndar boðspennuna: rafboðið sem fer venjulega frá frumubolnum niður símann til símaendanna. Rafboðið fer niður símann þannig að boðin stökkva milli Ranvier-móta. Ranvier-mót eru náttúruleg bil í mýelínslíðrinu. Á hverjum stað dreifast sumar natríumjónanna sem koma inn í frumuna til næsta hluta símans, hækka hleðsluna yfir örvunarþröskuldinn og koma af stað nýju innflæði natríumjóna. Boðspennan fer alla leið niður símann með þessum hætti þar til hún nær símaendunum.

Boðspenna er allt-eða-ekkert-fyrirbæri. Í einföldu máli þýðir þetta að aðkomandi boð frá annarri taugafrumu er annaðhvort nægilega sterkt eða ekki nægilega sterkt til að ná örvunarþröskuldinum. Það er ekkert millistig og ekki er hægt að stöðva boðspennu eftir að hún hefst. Hugsaðu um þetta eins og að senda tölvupóst eða textaskilaboð. Þú getur hugsað um að senda skilaboðin eins lengi og þú vilt, en þau fara ekki af stað fyrr en þú ýtir á sendihnappinn. Og þegar þú hefur sent skilaboðin er ekki hægt að stöðva þau.

Vegna þess að boðspenna er allt-eða-ekkert-fyrirbæri er hún endurmynduð, eða borin áfram, af fullum styrk á hverjum stað eftir símanum. Líkt og logandi kveikiþráður í flugeldi dofnar hún ekki þegar hún ferðast niður símann. Þessi allt-eða-ekkert-eiginleiki skýrir að heilinn skynjar meiðsli á fjarlægum líkamshluta, eins og tá, jafn sársaukafull og meiðsli á nefi.

Eins og áður kom fram losa taugaboðefnablöðrurnar taugaboðefni út í taugamótabilið þegar boðspennan kemur að símaendanum. Taugaboðefnin ferðast yfir taugamótin og bindast viðtökum á griplum aðliggjandi taugafrumu, og ferlið endurtekur sig í nýju taugafrumunni, að því gefnu að boðið sé nægilega sterkt til að koma af stað boðspennu. Þegar boðið hefur verið skilað reka umfram taugaboðefni í taugamótabili burt, brotna niður í óvirk brot eða eru tekin aftur upp í ferli sem kallast endurupptaka. Endurupptaka felur í sér að taugaboðefninu er dælt aftur inn í taugafrumuna sem losaði það, svo taugamótin hreinsist (Mynd 3.12). Hreinsun taugamótanna þjónar bæði þeim tilgangi að skapa skýrt „kveikt“ og „slökkt“ ástand milli boða og að stjórna framleiðslu taugaboðefna; fullar taugaboðefnablöðrur gefa til kynna að ekki þurfi að framleiða fleiri taugaboðefni.

Samskipti taugafrumna eru oft kölluð rafefnafræðilegt ferli. Ferð boðspennunnar niður eftir símanum er raflegt ferli og ferð taugaboðefnisins yfir taugamótabilið er efnafræðilegi hluti ferlisins. Til eru þó sérhæfðar tengingar milli taugafrumna sem eru alfarið raflegar. Í slíkum tilvikum er sagt að taugafrumurnar hafi samskipti um raftaugamót. Þá tengjast tvær taugafrumur líkamlega með gatatengjum, sem gera straumi frá einni frumu kleift að fara yfir í þá næstu. Mun færri raftaugamót eru í heilanum en þau sem eru til staðar eru mun hraðvirkari en efnataugamótin sem lýst var hér að ofan (Connors & Long, 2004).

Taugaboðefni og lyf

Mismunandi taugafrumur losa nokkrar gerðir taugaboðefna og við getum rætt í stórum dráttum hvaða starfsemi tengist mismunandi taugaboðefnum (Tafla 3.1). Mikið af því sem sálfræðingar vita um starfsemi taugaboðefna kemur úr rannsóknum á áhrifum lyfja við geðröskunum. Sálfræðingar sem vinna út frá líffræðilegu sjónarhorni og beina sjónum að lífeðlisfræðilegum orsökum hegðunar halda því fram að geðraskanir á borð við þunglyndi og geðklofa tengist ójafnvægi í einu eða fleiri taugaboðefnakerfum. Út frá þessu sjónarhorni geta geðlyf hjálpað til við að bæta einkenni sem tengjast þessum röskunum. Geðlyf eru lyf sem meðhöndla geðræn einkenni með því að endurheimta jafnvægi taugaboðefna.

Geðvirk lyf geta verkað sem örvar eða hamlarar í tilteknu taugaboðefnakerfi. Örvar eru efni sem líkja eftir taugaboðefni á viðtakasvæði. Hamlari hindrar hins vegar eða tefur eðlilega virkni taugaboðefnis við viðtakann. Örvar og hamlarar eru lyf sem er ávísað til að leiðrétta tiltekið ójafnvægi taugaboðefna sem liggur að baki ástandi einstaklings. Parkinsonsveiki, ágengur sjúkdómur í taugakerfinu, tengist til dæmis lágu magni dópamíns. Algeng meðferðarleið við Parkinsonsveiki felur því í sér notkun dópamínörva, sem líkja eftir áhrifum dópamíns með því að bindast dópamínviðtökum.

Ákveðin einkenni geðklofa tengjast ofvirkri dópamíntaugaboðsendingu. Geðrofslyf sem notuð eru til að meðhöndla þessi einkenni eru dópamínhemlar: þau hindra áhrif dópamíns með því að bindast viðtökum þess án þess að virkja þá. Þannig koma þau í veg fyrir að dópamín sem ein taugafruma losar sendi upplýsingar til aðliggjandi taugafrumna.

Ólíkt örvum og hömlurum, sem verka báðir með því að bindast viðtakasvæðum, koma endurupptökuhemlar í veg fyrir að ónotuð taugaboðefni séu flutt aftur til taugafrumunnar. Þetta gerir taugaboðefnum kleift að vera virk lengur í taugamótabili og eykur þannig áhrif þeirra. Þunglyndi, sem hefur ítrekað verið tengt minnkuðu magni serótóníns, er oft meðhöndlað með sértækum serótónín-endurupptökuhemlum (SSRI). Með því að koma í veg fyrir endurupptöku styrkja SSRI-lyf áhrif serótóníns og gefa því meiri tíma til að verka á serótónínviðtaka á griplum. Algeng SSRI-lyf á markaði í dag eru Prozac, Paxil og Zoloft. Lyfið LSD er byggingarlega mjög líkt serótóníni og hefur áhrif á sömu taugafrumur og viðtaka og serótónín. Geðlyf eru ekki skyndilausn fyrir fólk sem þjáist af geðröskunum. Oft þarf einstaklingur að taka lyf í nokkrar vikur áður en bati kemur fram og mörg geðvirk lyf hafa verulegar neikvæðar aukaverkanir. Einstaklingar eru einnig mjög ólíkir í svörun sinni við lyfjum. Til að auka líkur á árangri er ekki óalgengt að fólk sem fær lyfjameðferð fari einnig í sálfræðilega meðferð og/eða atferlismeðferð. Sumar rannsóknir benda til þess að það sé oft áhrifaríkara að sameina lyfjameðferð og aðrar meðferðir en að nota eina meðferð eina og sér (sjá dæmi hjá March o.fl., 2007).